中国科学家在大块非晶材料领域的新进展

块体金属玻璃是通过现代冶金的方法, 抑制合金熔体的形核和长大, 保持液态的长程无序结构, 从而获得具有与玻璃类似结构的合金材料(称之为非晶化或玻璃化). 因而, 块体金属玻璃是兼有液体和固体、金属和玻璃特征的金属合金材料. 它具有许多独特、优异的物理、化学性能. 研究发现, 几乎所有的物质都可以被玻璃化, 但使金属合金玻璃化是最困难的, 因为金属合金的形核和长大过程非常快, 很难控制[1,2]. 因此, 虽然玻璃材料的制备和发展历史已有几千年, 但金属玻璃的历史只有几十年. 而且由于金属玻璃具有非同寻常的力学、物理和化学性能, 自它诞生以来就受到人们的广泛重视. 短短的几十年间, 金属玻璃已经在很多领域得到广泛应用. 同时, 金属玻璃材料的出现拓展了凝聚态物理的研究内容和视野, 金属玻璃为研究很多凝聚态物理问题提供了模型材料, 玻璃物理或非晶态物理已成为材料和凝聚态物理领域的前沿课题之一.     

液体的脆性——一把深入了解玻璃态物质的钥匙

“液体的脆性”概念的提出不到20年的时间, 已成为玻璃态物质研究中的一个热点. 它利用玻璃转变温度约化温度轴的办法, 使具有不同动力学性质的玻璃形成体可以用一个统一的标准进行比较. 为阐明液体的脆性在研究玻璃转变过程、结构弛豫现象及过冷态结构中的重要意义, 综合评述了液体的脆性在凝聚态物质热力学和动力学性质相关性、势能图谱、非指数弛豫过程、微观理论模型以及中程有序等研究领域中的最新进展和面临的挑战, 并指出了该研究领域今后的发展方向.     

现代物质观--量子理论的斑斓结晶

量子理论是与相对论齐名的现代物理理论.随着量子理论百余年的创造性拓展,并偕同相对论的百年辉煌,铸成了内涵丰裕的现代物质观;它与相对论时空观相与并立,同样称得上是现代文明的奇丽瑰宝. 现代物质观乃现代的科学自然观之核心,就其主要理论基础而言,可谓是量子理论的斑斓结晶.量子理论与经典物理理论有本质区别,作为其灵魂的量子概念是现代物理学中最具创新意义的革命性概念,由此而导致人们对于物质及其运动方式的认识发生本质上的极大转变.凭藉量子力学的"哥本哈根诠释",还形成了一个崭新的科学哲学观念;那就是说,包容了互补性思想的现代物质观具有深厚的哲学含义和文化底蕴.并且,出于对量子概念的深入探讨,给予"物理实在"以新的定义,这是量子理论促使"人类思想的基本概念结构"之改变的一项奇特表现(虽然对此尚有异议).无疑,伴随于时空观变革的物质观变革,确是现代文明进步的又一重大标志.     

铝基玻璃态合金

铝基结晶态合金是最常用的有色合金之一,而近年来发展的铝基玻璃态合金则具有两倍于常规铝基合金的强度,并兼有良好的韧性和耐腐蚀性,是一种潜在的新型优质结构材料,因而受到材料科学界的关注。玻璃态合金又称为金属玻璃或非晶态合     

自然界中同型手性起源的难题

手性和对称破缺是自然界的重要客观存在.从微观的粒子和分子到宏观的物质和宇宙星系,均存在不同水平的手性和对称性破缺,寻找它们的内在统一性是著名的科学难题.本文对2005年美国Science杂志公布的125个科学前沿问题之一"自然界中同型手性的起源"进行了解读,特别关注同型手性对生命起源和生命体系的重要意义,概述介绍了国内外学者的相关研究假说、理论和进展.     

生物系统的复杂性与简单性

"复杂性"是当今科学界尤其是生命科学界最时髦的词汇之一.它的出现和流行,体现了21世纪科学家思考自然界的角度转换.上世纪是还原论占主导地位的时代,自然界被视为一部根据物理和化学规律用各种分子组装的自动机.因此,认识了分子层面上个别的基因或蛋白质的物理和化学特性,就能够解释生物个体的活动.随着研究的深入,人们已逐渐意识到了这种"简单性"思维的局限,意识到了生命的复杂性.目前,对复杂性的研究已成为生命科学的热点.在有关复杂性的众多研究问题中,也许最值得我们关注的是生物系统的复杂性与简单性之关系.     

Cr73.7(Fe0.83Mn0.17)26.3合金磁性的研究

当Fe浓度在18≤x≤25范围内时,Cr_(100)-x_Fe_x合金从顺磁经铁磁态重入自旋玻璃态.重入自旋玻璃态的机制目前主要用以下两种非常不同的物理图象来描述.一种用Hecssen- berg自旋玻璃的平均场理论得出:系统在T_c下产生了共线的铁磁相.但在温度T_(xy)下,每个自旋的横向(xy)分量随机地冻结在xy平面上.这样一个系统可以看作在z方向纵向的铁磁性,而在xy平面上是自旋玻璃态.另一种图象是,有限、无限大团簇在渗透浓度上共存.铁磁相自然是由无限大团簇产生的.但由于有限大团簇的存在,这些有限大团簇在一定温度下可以与无限大团簇成反铁磁耦合,从而破坏了无限大团簇,导致了自旋玻璃态的产生.由于Cr-Fe合金中反铁磁交换相互作用较弱,实验中在18(?)x浓度范围内未能观察到反铁磁耦合的存在.在Cr-Fe合金中加入少量的金属Mn可以大大提高合金的Nair温度.在Cr-Fe-Mn合金为研究系统中铁磁、反铁磁交换相互作用的竞争,进而弄清该合金重入自旋玻璃态的机制提供了可能性.本实验利用M(?)ssbauer谱,磁测量等手段对Cr_(73.5)(Fr_(0.83)Mn_(0.17))_(26.3)合金的磁性进行了研究.     

大激活熵是触发非晶合金记忆效应的关键

非晶/玻璃等非平衡态材料在能量驱动下会逐渐“老化”（ageing），体积和能量状态逐渐降低，这是非平衡态材料的本征特征之一。不同于“老化”的自然演化规律，记忆效应是指非晶合金经历先低温再高温两步退火时，焓或体积会先增加而后降低至平衡态。如果材料或体系达到热平衡态，初态和历史的记忆将被彻底遗忘。半个世纪以来，人们对记忆效应的理解局限于诸如Tool-Narayanaswamy-Moynihan（TNM）模型等唯象层面，对其物理起源仍不清楚。通过研究非晶合金在单步和两步退火中的弛豫规律，发现非晶合金中存在从β弛豫向α弛豫的等温转变现象，并进一步发现大激活熵是触发记忆效应的关键。这些结果对理解玻璃等非平衡态材料的物理本质和精准调控其性能具有重要意义。     

掺Cr~(3+)无机玻璃激光激发的荧光光谱

掺杂过渡金属离子的无机玻璃作为一种有希望的可调谐激光材料,已日益引起人们的重视。但是到目前为止,对这种材料发光的微观机理尚缺乏深入的了解。随着激光光谱学的发展,近来对掺杂稀土离子的晶体和玻璃的研究,有关激活中心发光动力学及能量转移的理论有了长足进展。特别是选择激发的荧光线变窄(FLN)方法,已逐步揭示了发光的微观本质与宏观光谱特性的内在联系。对晶体中过渡金属离子的研究,应用这种方法也已积累了丰富的数据资料。然而由于玻璃态物质结构的无序性,对掺杂过渡离子的发光微观机理的研究十分     

微晶玻璃

微晶玻璃是五十年代发展出来的、具有优异性能的新型硅酸盐材料。从它的生产工艺来看,应该叫它玻璃,因为它和普通玻璃的制造方法相同;但从最后制得的产品来看,它是一种多晶的不透明物质,在大多数情况下又非常象陶瓷。实际上,它是用玻璃工艺方法制得的陶瓷,所以又叫做玻璃陶瓷。人们熟知,玻璃是一种非晶态固体,或称为玻璃态物质。从热力学观点出发,它是一种亚稳态,较之结晶态具有较高的内能,在一定的条件下可转变为结晶态。但从动力     

研究玻璃转变本质的新起点——玻璃态的慢β弛豫

过冷液体在转变为玻璃的过程中, 有多种弛豫行为发生, 诸如α弛豫、慢β弛豫和快β弛豫等. 传统的玻璃转变理论以α弛豫作为研究玻璃本质的基础. 然而, 近年来有关慢β弛豫的研究表明, 慢β弛豫行为与α弛豫的性质密切相关, 其性质决定了α弛豫的特点, 是玻璃转变行为更微观层次的诱导和基础. 为阐明慢β弛豫在研究玻璃转变过程以及过冷态结构的重要意义, 综合评述了慢β弛豫在与α弛豫的相关性、慢β弛豫和α弛豫的接合方式、势能图景、过剩翅以及热力学唯象模型等研究领域的最新进展, 并指出了该领域今后的发展方向.     

量子理论的创立

量子力学是迄今最富有成果的物理理论之一.它在统一描述物质的波动性与粒子性上,迈出了划时代的一步.在原子、核子以及亚核子层次上对物质的结构作出了合理的解释,是人类打开微观世界门户的一把钥匙.在它诞生以来的半个多世纪中,它又常常是作出新的发现和发明(如核能释放、晶体管、激光器等)的向导.     

非晶合金“拉伸转变区”模型

非晶合金是熔体深度过冷至玻璃态转变,结构发生突然"冻结"而形成的玻璃态固体.在远低于玻璃转变温度,非晶合金的宏观断裂通常由塑性变形局部化剪切带诱导.尽管非晶塑性机理还未完全揭示,但普遍认为剪切带模式的裂尖塑性流动源于材料内部原子集团的局部剪切重排,即"剪切转变区(shear transformation zone,STZ)"事件.但是,越来越多的工作表明,非晶合金的断裂并非总是由剪切带诱导,而呈现脆性的拉伸正断,并涌现出一种新的断裂面斑图:纳米周期条痕.针对这一全新的断裂能耗散过程,我们在2008年提出了非晶合金的"拉伸转变区(tension transformation zone,TTZ)"模型.本文将简要介绍非晶合金"拉伸转变区"模型的提出、内涵本质、激活条件、原子模拟和韧脆转变实验验证等,并对该模型的未来发展进行评述.     

破解非晶结构之谜：连接非晶态和晶态的中程序结构单元

非晶态结构本质一直是凝聚态物理和材料科学中最有趣和最基本的问题之一。非晶合金因其简单的金属键结合及密堆积结构而成为研究非晶物理的理想材料模型。研究发现,非晶中存在着不同尺度的局域有序结构,其中5~20 埃米尺度范围对应中程序。近来研究揭示其在非晶合金的相变和形变过程中发挥了越来越关键的作用。现有的理论或者实验结果难以确定非晶态材料与其对应的晶态材料间是否存在中程或更大尺度范围的结构联系,同时现有的表征手段难以精确解析其短程到中 程尺度有序结构,导致中程序结构解析问题十分复杂。最近在经典大块非晶合金体系钯-镍-磷中通过对一种独特的亚稳立方 中间相进行解析,发现了一种桥接非晶态与晶态的手性中程序结构基元六元三帽三棱柱(6M-TTP)。该结构的短程序团簇以 一种奇特的手性结构构成约12.5埃米的中程序结构基元,其在铸态为长程无序堆积,而在一定温度可以转变成有序堆积的亚稳立方相。中程序结构的捕获和解析为揭示非晶态结构本质提供了新的结构模型,并且对非晶合金亚稳态中间相的析出动力学规律提出了新的解释。这些发现将有助于阐明非晶合金在中程序以及更大尺度上的结构排列,为解析非晶态的结构本质提供新的思路。     

量子宇宙物理前沿——21世纪基础科学革命的突破口

正由引力效应发现的暗物质和暗能量以及与时空结构相关的引力本质和宇宙起源被认为是21世纪最重大的、悬而未决的物理问题,引力波的发现为理解这些科学难题打开了一扇新的窗口.2016年应邀在中国科学院学部年会上做"引力波和引力本质"的大会报告后,随即受到《科学通报》主编高福院士的邀请,期望从学科发展的整体考虑,由《科学通报》     

量子遗传学从何着手?

红外电磁振荡与三线态维纳(N.Wiener)在《控制论》的第2版中写了一段颇富启发性的话:“生物学的主要问题之一就是,组成基因、病毒和产生癌的某种特殊物质是通过什么方式,从不具有这种特异性的、象氨基酸和核苷酸之类的混和物中繁殖自己.通常所作的解释是,这些物质     

宇宙正反物质不对称的起源

宇宙中正反物质不对称性的起源是粒子物理和宇宙学中极具挑战性的问题,至今人们还不清楚该问题的本质.随着实验观测的日益精确,人们对这一未解之谜的研究日益深入.本文首先简要介绍宇宙正反物质不对称性之谜的背景,以及在理论上解释该问题所要满足的基本条件.然后结合最新的理论和实验进展,重点介绍了3种能自洽地解释正反物质不对称性并且能够在实验上进行验证的理论,包括电弱重子数产生机制、轻子数不对称产生机制以及引力重子数产生机制.期望未来更精确的实验能够验证究竟哪种机制才是宇宙正反物质不对称性的起源.     

物质成瘾所伴随的认知功能缺陷及其神经基础

物质滥用和成瘾是当今世界最严重的公共卫生问题之一,禁毒与戒毒已成为全球关注的社会热点.根据DSM-5定义,物质成瘾是一种慢性复发性精神疾病,表现为强迫性药物寻求、无法控制药物使用而无视其潜在的严重危害.超过80%的成瘾个体没有寻求治疗,这部分反映出物质成瘾个体存在认知功能方面的缺陷与障碍.以此为出发点,本研究回顾了近年来关于物质成瘾者在注意、抑制控制、决策和内感受等方面认知功能缺陷的研究,总结了行为和神经影像学方面的成果,探讨和论证物质成瘾背后的认知神经机制,以便更准确地了解物质成瘾的成因、发展、戒断和复发的本质.最后,本研究提出未来的相关研究应致力于推动多技术融合,关注共病问题,构建和完善生物标记,开发基于脑的干预方法,以便深化该领域的研究,有助于完善成瘾病人的干预与治疗机制.     

破解非晶结构之谜：连接非晶态和晶态的中程序结构单元

非晶态结构本质一直是凝聚态物理和材料科学中最有趣和最基本的问题之一。非晶合金因其简单的金属键结合及密堆积结构而成为研究非晶物理的理想材料模型。研究发现，非晶中存在着不同尺度的局域有序结构，其中5~20 埃米尺度范围对应中程序。近来研究揭示其在非晶合金的相变和形变过程中发挥了越来越关键的作用。现有的理论或者实验结果难以确定非晶态材料与其对应的晶态材料间是否存在中程或更大尺度范围的结构联系，同时现有的表征手段难以精确解析其短程到中 程尺度有序结构，导致中程序结构解析问题十分复杂。最近在经典大块非晶合金体系钯-镍-磷中通过对一种独特的亚稳立方 中间相进行解析，发现了一种桥接非晶态与晶态的手性中程序结构基元六元三帽三棱柱(6M-TTP)。该结构的短程序团簇以 一种奇特的手性结构构成约12.5埃米的中程序结构基元，其在铸态为长程无序堆积，而在一定温度可以转变成有序堆积的亚稳立方相。中程序结构的捕获和解析为揭示非晶态结构本质提供了新的结构模型，并且对非晶合金亚稳态中间相的析出动力学规律提出了新的解释。这些发现将有助于阐明非晶合金在中程序以及更大尺度上的结构排列，为解析非晶态的结构本质提供新的思路。     

修正Mbius反演公式及其超对称解释

最近,陈难先利用修正Mbius反演公式给出工程物理中两个重要问题:声子态密度和黑体辐射反问题的精确解公式,引起人们的注意和极大兴趣。(古老的)数论工具一经引入,便恰到好处地、出人意料地导致了问题的解决,给人以新的启示。 这里所用到的Mbius函数μ(n)是数论中最简单、最常见、也是最神秘的函数之一,其